Matlab在数字图像处理教学中的应用方法研究.pdf

2024年1 月第1 期学周刊教育信息化LEARNINGWEEKLYJan.2024Vol.1Matlab在数字图像处理教学中的应用方法研究史慧（安徽医科大学生物医学工程学院，安徽合肥2 3 0 0 3 2）摘要：数字图像处理课程教学中，传统的教学方法存在着许多问题。教师依靠板书讲解的形式过于单一，学生学习的兴趣得不到激发，对知识的理解不充分，严重影响了数字图像处理教学课程的效果。本文通过对Matlab的研究，将其作为课程教学的辅助手段，优化数字图像处理教学的方法，从而提高学生的学习兴趣，降低知识的理解难度。关键词：Matlab；数字图像处理；教学方法；教学辅助中图分类号：G434D0I:10.16657/ki.issn1673-9132.2024.01.029文献标识码：A文章编号：1 6 7 3-9 1 3 2(2 0 2 4)0 1-0 1 1 4-0 4一、引言在高等教育中，数字图像处理专业的教学因其学科涉及范围广、难度大的特点，需要学生具备一定的基础知识,对数学、数字信号处理、计算机等理论拥有一定理解能力。数字图像处理专业是一门操作性强的学科，在算法的演绎和公式推导中所涉及的知识比较抽象，学生理解难度较高。同时受到学生人数、学生素质的影响，传统的教学方法已经无法满足学生的学习需要，也不符合当前学生学习的实际情况。因此,教师在进行数字图像处理课程内容的讲解时，要积极探索符合学生实际的教学方法，将培养学生的实践能力作为教学的出发点，通过优化教学方法，利用先进的科技手段降低教学难度，提高教学效率，从而激发学生的学习兴趣，锻炼学生的动手能力，让学生在学习的过程中享受学习的乐趣，从而更加全面地掌握数字图像处理的相关理论知识，为社会培育出更多具有创新思维和创新能力的人才。二、Matlab概述Matlab是一款用于科学计算、可视化操作和交互式程序设计的计算机语言环境，其全称为Matrix&Laboratory。M a t l a b是在计算数学数值方面具有特殊功能的应用软件。它将数值分析、仿真模拟、矩阵计算等功能进行了集成，通过一个可视化的环境进行操作，为数学计算、科研、工程设计等工作提供了重要帮助，在协助人们进行数据计算方面提供了一个全面的解决方案。并且Matlab通过自身设计，摆脱了传统非交互式的程序设计语言编辑模式，是计算类软件中功能最先进的一种。Matlab自其被广泛应用以来，它的矩阵计算、函数绘制、创建用户界面、兼容和连接其他编程语言程序等功能被人们所熟知。在欧美发达国家的科研、教育等领域，Matlab已经成为应用线性代数、自动控制理论、数理统计、数字化技术处理、时间序列分析等教学课程的基础科研、教学工具。Matlab Guide是Matlab为了实现其基本功能而设计的一个演示程序,通过该程序的帮助，能够让用户处理图形的难度大大降低，提高使用效率。演示程序的主要构成为窗口、菜单、光标、文字说明等，经由这些元素构成的用户操作和使用界面能够帮助用户简化操作流程。例如,用户通过鼠标、键盘进行图像界面操作选取相应的按钮就能激活图像界面的功能，而后让计算机按照用户的操作指令进行绘图、数据处理等操作。一般而言，在用户使用软件进行图像处理、数据计算、数据分析的过程中，由于其计算流程简单,因而不会直接采用Guide辅助其进行计算。但是，用户除了要利用软件进行简单计算操作，还需要向其他人提供应用程序，并按照软件的内容展示计算过程、操作方法、技术流程，这就需要通过设计一个简单的作者简介：史慧（1 9 9 0.1 2 一），女，汉族，河北石家庄人，讲师，研究方向：生物物理。-114-辅助工具达到展示的效果。利用Guide软件生成图像用户并按照相关的函数、计算公式编写应用程序，以提供给其他人使用和操作，需要设计者在遵循简单、一致、通常三个原则的前提下,编写和创建相应的功能界面与程序,绘制相关的制作草图，并根据实际使用者的情况进行修改，最后对程序进行制作，形成一个静态界面，经由检查后投入使用。三、数字图像处理介绍数字图像处理课程作为一门专业学科形成于2 0 世纪中期，是教授图像处理方法的一门专业学科。图像处理的主要目的就是改善图像的成像质量，让人们能够清晰地看到图像的内容，满足人们的视觉需求。在图像处理的过程中，由于输入的图像质量较低，清晰度较差，需要人工处理后改善其图像质量并输出。在图像处理中常用的有图像增强、压缩、复原、编码等手段。数字图像处理则是通过计算机完成图像的处理工作，利用计算机的软件对图像进行加工和分析，从而提高图像的视觉效果,对图像的亮度、色彩、成分增强进行处理,或者对图像中包含的特殊信息、特征进行提取和增强，将这些被提取的信息进行预处理，从而满足人们对图像的需求。图像数据处理的过程中，其数据的转化、编码、压缩也方便了图像传输和存储。目前数字图像处理课程的发展尚处于初级阶段，需要相关教师对其教学方式不断探索。四、数字图像处理教学面临的问题及解决思路(一)教学难度高数字图像处理属于一门较为综合的课程，教师需要在教学中加强对数学公式计算与理论推导的重视。为了方便学生学习，教师会在教学中使用计算机,并借助多媒体为学生播放课件，但他们无法快速理解和掌握公式推导的过程。而单纯利用板书教学又比较枯燥，学生的学习兴趣无法得到提升。所以，无论从哪个角度来看，都难以高效开展数字图像处理教学,再加上课程本身的特点又一定程度上增加了教学难度，学生很难在短时间内掌握相关技能。(二)课程内容难度大由于数字图像处理自身课程的起点较高，课程教学的内容对学生而言具有很高的难度。由于当前数字图像处理课程设计的课程要求较高，并且数学、计算机知识所涉及的知识范围广，二者融合的程度需要进一步提升,导致在学习这些课程时,学生的畏难情绪严重。在数学知识体系中,由于其计算所需的知识范围涵盖了矩阵变换、连续傅里叶变换、线性代数等多种知识,课程教学中,学生需要进行大量的数据计算与公式推导，教学进度缓慢。同时,这些需要计算的数学知识对一些学生而言十分抽象，学习起来十分吃力，这就使得传统数字图像处理课程教学需要进行教学方式和教学内容的变革。如果教师依旧按照传统的公式教学和理论方法，忽视对公式、理论的推导演示，图像处理的过程对学生而言就比较抽象，学生理解不足，从而降低学习兴趣。（三）学科交叉，知识范围广数字图像处理作为一门以计算机为操作基础的学科，其不仅涉及信息技术、数字信号处理、高级编程语言、高等数学、人工智能、数学分析、微电子等领域，其内容还覆盖了光学、信号学等不同领域。这些不同领域学科之间的相互渗透与交叉，让数字图像处理专业的理论知识理解起来更加吃力，需要学生提前对相关的基础理论进行学习和掌握。同时，也正是由于其不同学科相互交叉渗透、知识覆盖范围广的特点，学生对知识的掌握和理解不到位,让教学难度大大增加。（四）学生增加，整体素质下降随着近年来高校不断扩招，数字图像处理专业的班级容量不断增加。学生数量的增加为课程教学带来了不小的影响。学生整体质量下滑是一个长期的趋势，学生水平参差不齐，很多学生的数学、物理基础不好,对一些公式、数据计算理解能力不够,自身的素质无法满足课程教学的需要。并且，由于数字图像处理的各学科交叉融合特点，一部分学生的高等数学公式推导部分没有学好，就会导致跟不上教学进度，无法理解后面的教学内容。或者在计算机语言程序编写中的基础没有学好，不会自己进行操作和图像处理，只能再去问教师或同学,耽误了宝贵的课堂学习时间。而教师在面对越来越多的学生时自身的精力不足，无法关注到每一个学生，大大降低了师生互动的效果，不利于教师对学生的了解和学习情况掌握，为课程教学带来了不利影响。（五）教学课时少，课程内容多数字图像处理的教学课时随着高校扩招工作不断压缩，教学活动开展时，教师不仅要在学期开始为学生复习高等数学的相关知识内容，介绍数字图像处理的理论，同时还要进行编写程序和解释，另外还要注意课堂教学的实践性。为了满足教学计划，将课程内容完全讲完，完成教学目标，教师不得已只能加快教学进度，在一节课中不断加人更多的内容，大部分学生的学习能力跟不上教学进度，导致课程质量下滑。五、Matlab解决数字图像处理教学问题的思路针对数字图像处理教学的问题，需要教师和学生共同探索符合自身实际的教学方法。面对数字图像处理这一理论与实践、原理与应用紧密结合的专业课程，教师可以利用计算机软件，帮助学生解决计算问题,理解公式推导过程。例如,利用-115-Matlab软件对公式进行简化处理。利用Matlab本身自带的数值计算和分析功能，学生在对微积分运算、微分方程求解时都可以通过简单的建模、编程来完成。并且,通过Matlab的帮助，教师可以将抽象数学计算结果具体化,方便学生理解和掌握。在此过程中，教师可以对计算结果进行可视化处理,利用Matlab制作出CUIDE图形用户界面程序，将课程教学当中需要进行计算的公式进行计算,并展示其计算过程，将复杂的编程过程简单化。在课堂教学中，由于学生编写程序的能力不足，无法对出错程序进行处理，则需要教师在授课前对相关的图形用户界面进行设计和编写，方便学生自主编写程序，简化学生的学习过程。同时在授课的过程中,教师通过提前编写的程序解放了自身的时间,能够及时对学生的疑难问题进行解答。如果有些问题在课堂解答时间不够，教师还可以将数字图像处理课程内容中难度较高、抽象程度较深的概念和公式编写成一个教学课件的操作平台，让学生一键点击就能够反复观看和学习，减轻教师的教学压力。先让学生理解数字图像的基本概念，如像素、灰度值、分辨率等；介绍数字图像处理的基本原理，如图像增强、滤波、二值化、分割、边缘检测等技术；教授Matlab的基本语法和函数，如读取和保存图像、显示图像、处理图像、图像变换等。总之，Matlab是数字图像处理的核心工具之一，教师教授数字图像处理时需要深人理解其原理和使用方法，并通过实例加深学生对数字图像处理的理解。六、创建MatlabGuide的案例介绍MatlabGuide软件为用户提供了丰富的开发工具，通过对组件布局编辑器、排列工具、属性编辑器、对象浏览器、菜单编辑器这些组件进行布局，方便修改和调整图像界面的各种元素。(一)基本功能通过上文介绍，需要对用户界面进行制作，其主要具备的功能有以下几种：1.通过用户界面制作，实现一级菜单start和save按钮能够更好地对需要处理的图像进行读取和保存；2.通过设计与制作新的功能按钮，实现对图像灰度进行调整和变化，并且能够通过用户的实时操作实现对图像变化后的效果对比与处理；3.通过用户界面的功能设置，对图像的直方图进行均衡化处理,并能够及时显示处理效果；4.对二维傅里叶进行变换；5.用平滑滤波器和均值滤波器过滤高斯噪声和椒盐噪声；6.对图像进行缩放、角度旋转。(二)设计步骤首先在Matlab软件中进行操作，新建Guide窗口，然后及时进行保存。其次，通过MenuEditor创建一级菜单file,此时就可以在软件窗口上实现打开、保存文件的功能。接下来的操作就是需要用户分别建立2 个静态文本和坐标轴对象。标注空间是静态文本的核心功能，其分别能够将处理前后的图像进行显示，方便用户对比。坐标轴对象则只能够显示处理前后的图像。完成此步骤后，操作新建7 个功能按钮，用于图像的旋转和灰度变换，而后设置两个文本框，用于编辑和输人动态变换的角度及图像进行缩放的系数。然后设置4个单选按钮，按钮分成两组，用于实现高斯噪声和椒盐噪声之间的切换。设置完成以上操作后，按照操作需要，对代码课回调函数进行编写。在设计过程中需要关注的是，上述空间的相关属性设置标识问题。因为在控件标识的过程中,Tag能够实现对不同控件的识别,所以每一个空间在开发和创建过程中都会产生一个标识，为了方便记忆、修改与编辑，需要将控件设置为新的标识。（三）教学实施通过编写MatlabGuide图像用户软件，实现了降低学生学习难度的目标。在学生课堂学习的过程中,利用软件减轻了学生和教师的工作量，帮助学生理解了一些抽象的概念。通过软件的辅助，学生的学习兴趣明显提升，积极性得以发挥,在实践操作阶段，学生对软件的应用逐渐熟悉并能够很好地用在学习任务当中。1.确定教学目标：确定教学目标是数字图像处理教学计划的重要一步，具体来讲，可以根据不同层次的学生制定不同的教学目标。首先理解数字图像的基本概念：像素、分辨率、灰度值、图像格式等。理解数字图像处理的基本操作：灰度拉伸、直方图均衡化、高斯滤波、中值滤波、二值化等。熟悉Matlab工具箱中数字图像处理相关的函数：如imread、imshow、i mw r i t e 等，并掌握这些函数的使用方法。独立处理数字图像，实现简单的数字图像处理任务，例如对图像进行平滑处理、二值化等。了解数字图像处理的一些实际应用，如人脸识别、目标检测、医学图像处理等，并初步掌握其基本的实现方法。根据以上目标，设计数字图像处理课程并开展各项教学活动，则能够有效提高学生的数字图像处理能力。2.设计教学计划：为了有效地教授数字图像处理使用Mat-lab，可以考虑以下教学计划：第一周：Matlab基础语法和数字图像处理简介；Matlab语言基础语法以及常用的Matlab函数；数字图像处理的概念、任务和应用领域；数字图像的灰度级数、亮度直方图、对比度、伽马校正。-116-第二周：数字图像的预处理；数字图像的边缘检测、二值化、直方图均衡化、滤波方法、模板操作；采用OpenCV库进行图像处理。第三周：数字图像的特征提取和分析；理解数字图像特征提取和分类算法；图像的特征提取、特征向量；数字图像模式识别方法，包括模型分类和神经网络分类。第四周：数字图像处理实际应用；深度学习在计算机视觉领域中的应用；采用深度学习的框架进行图像分类和目标检测；图像超分辨率通道估计和复原。第五周：数字图像处理设计和案例分析；设计基于Matlab的数字图像处理算法；讨论数字图像签名和水印领域中图像处理的案例分析。此外，实践项目是加深数字图像处理知识和技能的重要手段。教学计划中可以安排课程的实践项目。例如，实现图像的处理和特征提取等，以及设计数字图像处理应用程序等。在课程结束时，可以组织学生展示他们的数字图像处理作品。通过这些实践项目，可以提高学生的数字图像处理实践能力，加强对Matlab的理解和应用，为今后的进一步学习和实践奠定基础。3.讲解数字图像处理基本概念和技术：介绍数字图像处理的基本原理。例如，图像增强、滤波、二值化、分割、边缘检测等技术。结合实际的案例讲解，通过代码演示让学生实践。4.练习实践：提供实际数字图像处理问题的实例，让学生通过实践加深对数字图像处理的理解和应用能力。教师可以引导他们使用Matlab提供的数字图像处理工具箱来处理图片，如操作图像缩放和旋转；也可以让他们自己编写代码完成任务，如编写Matlab代码从本地文件夹中读取图像并显示到Matlab GUI上，或者使用Matlab代码提取图像的特征，如颜色和纹理特征等,用于后续的图像分类和识别。另外，学生在编写Matlab代码时，可以掌握边缘检测算法，如Sobel算子、Laplacian算子和Canny算法等，加强学生对该算法的掌握，引导他们适当变化图像条件完成图像处理。5.评估学生掌握情况：教师除了要完成教学任务外，还要通过评估活动了解学生对知识的掌握情况。一般情况下，教师会结合学生的考试结果进行直接评估。但近年来，随着教育的不断发展，单纯的考试已经无法满足当前的教学评估需要。教师需从实践测试的角度出发，了解学生的综合能力发展情况。比如，教师可以从实践角度出发，为他们布置实践任务，并对任务结果进行评估，以此了解他们对数字图像处理课程中理论知识和实践技能的掌握情况；还可以从编程角度出发，检验他们对Matlab代码相关知识的了解。另外,还可以从综合角度出发，为他们布置小组任务，让学生共同完成某个任务，以此促使他们相互帮助，提高实际操作能力，加强他们对数字图像处理知识的理解。最后，则需要教师根据学生的表现和学习需求，在评估过程中加入更多的评价方法，保证评估活动的全面性，为学生提供及时反馈，鼓励他们继续努力，不断学习进步。七、结语本文对数字图像处理课程的相关内容进行了阐述，论述了数字图像处理课程教学中传统教学方法存在的问题，即教师依靠板书讲解的形式过于单一,课程内容难度高、教学难度大从而导致学生对基础知识的掌握和理解不够充分等，这些问题严重影响了数字图像处理教学课程的效果。通过对Matlab的研究,本文设计制作了图形用户界面的例子,将其作为课程教学的辅助手段,真实展现了在软件帮助下,利用人机互动界面可控化管理数字图像处理分析过程，提升分析效果，直观展示数据变化。同时，利用这一方法将数字图像处理的教学方式进行了优化，大大降低了学生理解难度,易于学生接受相关理论，提升教学效果。参考文献：1孙鹏崴，王俊，王树军,等.基于MATLABGUI 的图像处理系统的设计 J.计算机技术与发展,2 0 2 2（4).2周克娟.Matlab数字图像处理与矩阵概念及运算教学的融合 J.广西广播电视大学学报，2 0 2 2（5).3徐华，施文娟，周慧.信号处理类课程线上教学探索与实践 J林区教学,2 0 2 2(7)。4】张湃,王丽侠小波技术在数字图像处理 课程中的教学应用 J.电子制作,2 0 2 2(2).5张湃，孟庆莹“数字图像处理 综合实践教学改革与创新-以路面裂缝图像增强为例 J.电子制作，2 0 2 2（4)6王晓静.新工科背景下几何与代数课程教学探索与实践 J.高教学刊,2 0 2 2(S1).7】蔡俊，吕兆承.数字图像处理实验教学设计与案例 J.工业控制计算机,2 0 2 2(1).【责任编辑窦伊沙-117-